🚀 کشف شگفت‌انگیز: لیزر، انقلابی در ارسال تصاویر 4K از مریخ به زمین!

تحولات نوین در ارتباطات فضایی با استفاده از پیوندهای نوری

در عرصه‌ی اکتشافات فضایی، اکنون پیوندهای نوری با فواصل بسیار زیاد، امکان انتقال تصاویر، فیلم‌ها و اطلاعات را از سفینه‌های فضایی به سوی زمین فراهم می‌کنند. برای اینکه سیگنال‌ها بدون نقص به مقصد برسند و در طول مسیر دچار تداخل نشوند، نیازمند گیرنده‌های فوق‌العاده حساس و تقویت‌کننده‌هایی بدون نویز هستیم. محققان دانشگاه تکنولوژی چالمرز در سوئد، اخیراً سیستمی را طراحی کرده‌اند که با به‌کارگیری یک تقویت‌کننده‌ی بی‌صدا و یک گیرنده با حساسیت بی‌نظیر، مسیر را برای ارتباطات فضایی سریع‌تر و بهبودیافته هموار می‌سازد.

برتری‌های به‌کارگیری پرتوهای لیزری در ارتباطات فضایی

سیستم‌های ارتباطی فضایی، به طور فزاینده‌ای به سمت بهره‌گیری از پرتوهای لیزر نوری به جای امواج رادیویی گرایش پیدا می‌کنند؛ زیرا ثابت شده است که افت سیگنال در هنگام استفاده از نور برای انتقال داده‌ها در مسافت‌های فوق‌العاده طولانی، کمتر است. اطلاعاتی که با نور منتقل می‌شوند، در طول سفر قدرت خود را از دست می‌دهند و به همین دلیل، سیستم‌های نوری برای برقراری ارتباط در فضا، نیازمند گیرنده‌هایی با حساسیت فوق‌العاده هستند که بتوانند سیگنال‌های بسیار ضعیف‌شده را شناسایی کنند تا در نهایت به دست ما برسند.

گشایش افق‌های نو در ارتباطات فضایی

ایده‌ی محققان چالمرز برای ارتباطات نوری فضایی، چشم‌اندازهای جدیدی را برای برقراری ارتباط و کاوش در فضا ایجاد می‌کند. پیتر آندرسون، استاد فتونیک در چالمرز و یکی از نویسندگان اصلی این پژوهش که به تازگی در مجله‌ی علمی Optica منتشر شده است، می‌گوید: «ما اکنون می‌توانیم سیستم جدیدی برای ارتباطات نوری ارائه دهیم که گیرنده‌ای با حساسیت بیشتر از آنچه پیش از این در نرخ‌های داده‌ی بالا دیده شده بود، دارد. این یعنی شما می‌توانید اطلاعات را سریع‌تر و بدون خطا در فواصل بسیار دور، مثلاً وقتی می‌خواهید تصاویر یا ویدیوهای با کیفیت بالا را از ماه یا مریخ به زمین بفرستید، انتقال دهید.»

تقویت‌کننده بی‌صدا و بهبود ارتباطات

سیستم ارتباطی محققان، از یک تقویت‌کننده‌ی نوری در گیرنده استفاده می‌کند که سیگنال را با حداقل نویز ممکن تقویت می‌کند تا اطلاعات قابلیت بازیابی داشته باشد. درست مثل پرتو نور یک چراغ قوه، نور از فرستنده گسترش یافته و ضعیف می‌شود. بدون تقویت، سیگنال پس از سفر در فضا آنقدر ضعیف می‌شود که ممکن است در نویز الکترونیکی گیرنده محو شود. پس از بیست سال تلاش برای مقابله با نویزهای مزاحمی که سیگنال‌ها را مختل می‌کردند، تیم تحقیقاتی چالمرز چند سال پیش موفق به نمایش یک تقویت‌کننده نوری بی‌صدا شد.

کاربرد عملی تقویت‌کننده‌های بی‌صدا در ارتباطات نوری

تا به امروز، به‌کارگیری عملی تقویت‌کننده‌های بی‌صدا در پیوندهای ارتباطی نوری امکان‌پذیر نبوده؛ زیرا این فناوری نیازمندی‌های جدید و بسیار پیچیده‌تری را برای فرستنده و گیرنده ایجاد می‌کرد. با توجه به محدود بودن منابع و فضای کم در یک کاوشگر فضایی، سادگی فرستنده تا حد امکان اهمیت دارد.

دانشمندان چالمرز با این ابتکار که اجازه دادند گیرنده در زمین، دو فرکانس نوری از سه فرکانس مورد نیاز برای تقویت بدون نویز را تولید کند، و در عین حال به فرستنده اجازه داد تنها یک فرکانس تولید کند، برای اولین بار موفق به پیاده‌سازی یک تقویت‌کننده بی‌صدا در سیستم ارتباط نوری شدند. نتایج به‌دست‌آمده، حاکی از حساسیت فوق‌العاده‌ی آن است، در حالی که پیچیدگی در فرستنده نسبتاً کم است. این تقویت‌کننده نوری که به فاز حساس است، اصالتاً هیچ نویز اضافی تولید نمی‌کند که باعث افزایش حساسیت گیرنده شده و امکان انتقال داده بدون خطا را حتی در شرایطی که قدرت سیگنال پایین است، فراهم می‌آورد. به جای آنکه دو موج اضافی با فرکانس‌های مختلف در فرستنده تولید شود، اکنون می‌توان از یک فرستنده لیزری معمولی و یک موج برای پیاده‌سازی تقویت‌کننده استفاده کرد. ساده‌سازی ما در فرستنده به این معناست که فرستنده‌های نوری موجود در ماهواره‌ها و کاوشگرها می‌توانند همراه با تقویت‌کننده بی‌صدا در یک گیرنده در زمین استفاده شوند.

راسموس لارسن، پژوهشگر فوق دکتری در حوزه‌ی فوتونیک در چالمرز و یکی از نویسندگان اصلی این مطالعه، می‌گوید: «این پیشرفت به این معناست که تقویت‌کننده‌های بی‌صدا در نهایت می‌توانند به صورت عملی در پیوندهای ارتباطی بین فضا و زمین مورد استفاده قرار گیرند.» این سیستم به‌طور بالقوه می‌تواند به حل یک مشکل شناخته‌شده در بین آژانس‌های فضایی امروزی کمک کند. ناسا از «گلوگاه بازگشت علمی» صحبت می‌کند؛ یعنی سرعت جمع‌آوری داده‌های علمی از فضا به زمین به‌عنوان عاملی بازدارنده عمل می‌کند. ما معتقدیم که سیستم ما گامی مهم به جلو در جهت یافتن یک راه‌حل عملی است که می‌تواند این گلوگاه را مرتفع سازد.

گام بعدی محققان، آزمایش سیستم ارتباط نوری با تقویت‌کننده، در مطالعات میدانی بر روی زمین و سپس در پیوندهای ارتباطی بین یک ماهواره و زمین است. توسعه‌ی این فناوری در دانشگاه چالمرز انجام شده و این تحقیق توسط شورای تحقیقات سوئد تأمین مالی شده است.